混積型碳酸鹽巖中石英的成巖作用及其與儲(chǔ)層的關(guān)系

伏美燕，張哨楠 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)） 成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都610059

混積型碳酸鹽巖中石英的成巖作用及其與儲(chǔ)層的關(guān)系

伏美燕，張哨楠 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)） 成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都610059

利用巖石薄片、掃描電鏡、能譜和陰極發(fā)光等資料，對(duì)塔里木盆地巴楚－麥蓋提地區(qū)石炭系小海子組混積型碳酸鹽巖中石英的分布、產(chǎn)狀和成巖作用進(jìn)行了研究。根據(jù)粒度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，與碳酸鹽混積的陸源石英來(lái)源于海灘砂或沙丘砂。陸源石英與碳酸鹽的混合是海平面上升期由沿岸流等事件作用產(chǎn)生?？v向上石英含量的變化與沉積環(huán)境和事件作用的不確定性有關(guān)。陸源石英的產(chǎn)狀可分為5類，反映了不同的沉積和成巖事件。石英經(jīng)歷的成巖作用包括有壓實(shí)－壓溶作用、次生加大和交代作用?；旆e型碳酸鹽巖中石英次生加大不同于碎屑巖，加大邊與碎屑石英之間存在非連續(xù)的白云石邊，加大石英的晶形反映其結(jié)晶過(guò)程明顯受到生長(zhǎng)空間的限制。在殘余粒屑灰質(zhì)白云巖中，可見石英經(jīng)歷了兩期次生加大，反映了兩期有機(jī)酸的侵入。通過(guò)分析和討論，認(rèn)為對(duì)混積型碳酸鹽巖中石英的成巖作用研究有助于加深對(duì)儲(chǔ)層次生溶蝕孔隙發(fā)育過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

巴楚－麥蓋提地區(qū)；小海子組；混積巖；石英次生加大；酸性流體

普遍認(rèn)為碳酸、有機(jī)酸和硫酸能對(duì)碳酸鹽巖具有明顯的溶蝕作用［1］，酸性流體的存在是碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育的基本條件之一。石英是酸性環(huán)境中的穩(wěn)定礦物，石英的沉淀能夠指示酸性流體的存在，因此，石英的成巖變化有助于恢復(fù)碳酸鹽巖中酸性流體的演化過(guò)程。塔里木盆地巴楚－麥蓋提地區(qū)石炭系小海子組具有混合沉積的特點(diǎn)，碳酸鹽巖中含有陸源石英。小海子組碳酸鹽巖儲(chǔ)層是塔里木西部重要的油氣產(chǎn)層之一，儲(chǔ)集空間主要為次生溶孔和裂縫，溶蝕孔隙發(fā)育機(jī)理和規(guī)律的研究對(duì)于儲(chǔ)層預(yù)測(cè)具有重要意義。筆者擬利用巖石薄片觀察、掃描電鏡、能譜和陰極發(fā)光等手段對(duì)小海子組混積型碳酸鹽巖中石英的分布、產(chǎn)狀、來(lái)源和成巖變化進(jìn)行研究，為孔隙流體演化提供證據(jù)，以加深對(duì)該區(qū)次生溶孔發(fā)育規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

圖1 研究區(qū)地理位置及井位圖

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于塔里木盆地西部的巴楚－麥蓋提地區(qū)（圖1），包含亞松迪和巴什托2個(gè)區(qū)塊。該區(qū)石炭系是一套以碎屑巖為主，夾碳酸鹽巖的海侵背景下的沉積體［2］，與下伏地層角度不整合接觸，與早二疊世地層整合接觸，自下而上可劃分為巴楚組、卡拉沙依組和小海子組。石炭紀(jì)是塔里木盆地繼奧陶紀(jì)后的第2次大的海侵，此次海侵過(guò)程進(jìn)行得較為緩慢，但海平面上升幅度較大，盆地的大部地區(qū)都因海平面的持續(xù)緩慢上升逐漸由潮坪環(huán)境向碳酸鹽臺(tái)地轉(zhuǎn)變。石炭紀(jì)晚期構(gòu)造活動(dòng)性減弱，海侵的影響到達(dá)最高峰，沉積了小海子組地層，為一套碳酸鹽夾泥質(zhì)沉積物，并含有少量陸源石英。由于巴楚地區(qū)晚石炭世海水較深，碳酸鹽巖沉積時(shí)受淡水和陸源有機(jī)質(zhì)影響較少［3］。

2 儲(chǔ)層巖石學(xué)和成巖作用特征

小海子組以泥晶灰?guī)r為主，其次為亮晶粒屑灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和殘余粒屑灰質(zhì)白云巖等，為碳酸鹽巖開闊臺(tái)地沉積［4］。粒屑成分主要為生物碎屑、砂屑，少量豆粒、鮞粒。小海子組的儲(chǔ)層類型主要為裂縫－孔隙型，孔隙型儲(chǔ)層極少。中－高孔的殘余粒屑灰質(zhì)白云巖和粉晶白云巖的分布較局限，而低孔－特低孔的亮晶粒屑灰?guī)r和泥晶灰?guī)r分布較廣，主要依靠裂縫改善儲(chǔ)集性。亮晶粒屑灰?guī)r中僅發(fā)育少量生物體腔孔和粒間溶孔，殘余粒屑灰質(zhì)白云巖和粉晶白云巖發(fā)育大量粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔和白云石晶間孔。白云石化和溶蝕作用為小海子組孔隙型儲(chǔ)層發(fā)育的兩大建設(shè)性成巖作用。研究區(qū)主要發(fā)育埋藏條件下的混合水白云石化［5］；溶蝕作用包括大氣淡水溶蝕、有機(jī)酸溶蝕和熱液溶蝕。小海子組碳酸鹽巖具有混合沉積的特征，含有陸源碎屑，基本為石英，總含量2%～20%，粒度主要集中在0.05～0.4mm之間，成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均較高。

3 石英的成巖作用

3.1 石英來(lái)源、分布及產(chǎn)狀

根據(jù)Mount的成因分類方案，含砂/砂質(zhì)碳酸鹽巖主要產(chǎn)生于間斷混合，為事件作用的產(chǎn)物，當(dāng)海平面上升時(shí)沿岸流和風(fēng)暴流等能夠?qū)⑸城鸹蚝┑氖⑸皫胩妓猁}巖臺(tái)地沉積區(qū)［6］。研究中通過(guò)對(duì)陸源石英粒度的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)石英的分選較好，如麥4井小海子組4387.35m處云質(zhì)灰?guī)r中粒度主要集中在0.15～0.2mm（圖2），具有海灘砂/沙丘砂的特點(diǎn)［6］。陰極發(fā)光下觀察，這些石英不發(fā)光者居多，少量發(fā)藍(lán)紫色光，反映了以陸源的再沉積石英為主，含少量火山巖來(lái)源的石英。除陸源外，不發(fā)光的石英中也包括少量自生石英，自生石英的自形程度高，常捕獲白云石包裹體或烴類包裹體。

圖2 麥4井小海子組4387.35m云質(zhì)灰?guī)r中石英顆粒的粒度分布直方圖

圖3 麥10井小海子組混積型碳酸鹽巖中石英含量隨深度變化圖

石英的含量在縱向上分布極不均勻（圖3）。這種分布特征與沉積過(guò)程密切相關(guān)。一方面受沉積環(huán)境影響，如臺(tái)地邊緣灘沉積的鮞粒灰?guī)r中普遍不含陸源石英，而開闊臺(tái)地淺灘的粒屑灰?guī)r中石英含量較高；另一方面與事件作用有關(guān)，具有不確定性。同樣在粒屑灰?guī)r中石英的分布并不一致，如麥10井4395m附近的粒屑灰質(zhì)白云巖中陸源石英含量可高達(dá)20%，而4423m附近的粒屑灰質(zhì)白云巖中幾乎不含陸源石英。含砂/砂質(zhì)碳酸鹽巖中石英的產(chǎn)狀較復(fù)雜，反映了不同的沉積和成巖過(guò)程，主要包括以下幾類：

1）作為鮞心 沉積早期陸源石英與灰泥混合，在較低能的沉積環(huán)境中，作為鮞粒核心形成薄皮鮞。

2）充填粒間孔 出現(xiàn)在殘余粒屑灰質(zhì)白云巖中，壓實(shí)作用導(dǎo)致石英與碳酸鹽顆粒線－凹凸接觸。當(dāng)粒間膠結(jié)物溶解后，石英則如同充填在粒間孔中一樣。

3）沿縫合線分布 出現(xiàn)在亮晶粒屑灰?guī)r中，縫合線中的石英因壓溶而略具有港灣狀晶形。

4）漂浮于基質(zhì)中 出現(xiàn)在泥微晶白云巖中，石英呈漂浮狀分布在基質(zhì)中。

5）與碳酸鹽顆粒凹凸接觸 主要見于殘余粒屑灰質(zhì)白云巖和亮晶粒屑灰?guī)r中，在壓溶作用下石英與碳酸鹽顆粒間變?yōu)榘纪菇佑|。

3.2 石英的成巖作用類型

經(jīng)薄片鑒定，研究區(qū)含砂/砂質(zhì)碳酸鹽巖中石英所經(jīng)歷的成巖作用有壓實(shí)－壓溶作用、次生加大和交代作用。壓實(shí)作用使碳酸鹽顆粒和石英間點(diǎn)－線接觸，部分粒屑發(fā)生變形。亮晶粒屑灰?guī)r中縫合線較為發(fā)育，表明存在廣泛的壓溶作用，大量粒屑被壓溶，發(fā)生于第一世代櫛殼狀膠結(jié)物沉淀后［5］。鄰近的陸源石英也遭受了壓溶作用，呈現(xiàn)出港灣狀的晶形。壓溶作用還導(dǎo)致粒屑與石英之間形成凹凸接觸，石英發(fā)生溶解而內(nèi)凹，粒屑占位，這在大港灘海區(qū)第三系湖相混積巖中也曾有報(bào)道［7］。石英次生加大主要發(fā)育在孔隙度稍高的巖石中。大多數(shù)次生石英圍繞碎屑石英邊緣均勻生長(zhǎng)，也有部分次生石英僅發(fā)育在靠近粒間孔的一側(cè)。次生加大石英的分布受孔隙度控制，與滲流空間和生長(zhǎng)空間有關(guān)。另外，陸源石英普遍被方解石或白云石交代，顆粒邊緣模糊，或沿多晶石英的晶面被白云石或方解石交代。交代較嚴(yán)重的石英呈現(xiàn)出港灣狀外形。

3.3 石英次生加大特征

3.3.1 形態(tài)特征

經(jīng)巖石薄片觀察，碎屑石英和加大石英之間存在著非連續(xù)的白云石邊（圖4（a）），說(shuō)明石英次生加大發(fā)生在白云石沉淀之后。根據(jù)Maliva等［8］的方法，對(duì)麥10井4402m處灰質(zhì)白云巖中酸反應(yīng)剩余的石英砂做掃描電鏡和能譜分析。鏡下見次生加大石英呈現(xiàn)出菱形、雪花形等他形結(jié)構(gòu)（圖4（b）、表1、圖5），生長(zhǎng)在碎屑石英與白云石之間的空隙中。經(jīng)能譜分析，次生加大石英周圍均為碎屑石英，并含少量未完全溶解的白云質(zhì)。大多數(shù)次生加大石英圍繞碎屑顆粒均勻生長(zhǎng)，加大邊厚度幾乎為常數(shù)，即dr/dt（加大邊厚度）＝k，具有多核生長(zhǎng)和螺旋生長(zhǎng)的結(jié)晶特征［9］。有的石英次生加大邊厚度不等，呈現(xiàn)出紡錘形，或生長(zhǎng)在靠近孔隙一側(cè)，說(shuō)明僅在碎屑石英與成巖流體接觸處發(fā)生了次生加大。由于未見到其他硅化現(xiàn)象，基本無(wú)外源的硅質(zhì)，這些次生加大石英的硅質(zhì)主要與早期陸源石英的壓溶有關(guān)。

圖4 灰質(zhì)白云巖中石英次生加大照片

表1 石英次生加大部分能譜分析的元素含量表

圖5 灰質(zhì)白云巖中石英次生加大部分的能譜圖

圖6 石英的2期次生加大及鄰近的熱液礦物照片

3.3.2 分布和期次

石英的次生加大與埋藏深度［10］和酸性流體密切相關(guān)。隨有機(jī)質(zhì)成熟產(chǎn)生的酸性流體的注入，地層水的pH值降低，變?yōu)樗嵝裕?dāng)達(dá)到一定埋深時(shí)，則發(fā)生硅質(zhì)沉淀，形成次生加大。巴什托地區(qū)小海子組碳酸鹽巖中碎屑石英可見2期次生加大（圖6（a）），2期加大邊之間為非連續(xù)的白云石邊，而第2期加大近于自形。由于次生加大邊中缺乏流體包裹體，不易確定其沉淀時(shí)的溫度。據(jù)報(bào)道［4］，巴什托地區(qū)小海子組碳酸鹽巖中有機(jī)包裹體均一溫度可分為2組，存在2期有機(jī)酸的注入。而研究中石英的2期次生加大可能對(duì)應(yīng)于這2期有機(jī)酸的充注。第①期發(fā)生于油氣充注期，石英沉淀時(shí)的溫度高于60℃［10］；第②期可能與熱液攜帶的酸性流體有關(guān)。巴楚地區(qū)是塔里木盆地火山活動(dòng)中心之一，火山巖侵入熱事件對(duì)儲(chǔ)層具有重要影響［11］。結(jié)合陰極發(fā)光、X射線粉晶衍射，在上述碳酸鹽巖地層中見到大量地開石和螢石（圖6（b））。熱液作用能將深部的酸性流體帶入碳酸鹽巖地層中，形成溫度較高的自生礦物——地開石和螢石。在熱液引起的酸性環(huán)境下，形成第②期溶蝕孔，從而為地層中剩余硅質(zhì)形成第②期次生加大提供充足的生長(zhǎng)空間。根據(jù)Rossia等的觀點(diǎn)［12］石英的膠結(jié)一般是在降溫過(guò)程中形成。受到熱事件作用后，石英的第②期次生加大開始于最高溫度，而主要形成于后期降溫階段［12］。因此，第②期的次生加大主要發(fā)生于該期次生溶孔形成和地開石、螢石結(jié)晶之后。

3.4 石英次生加大與儲(chǔ)層的關(guān)系

雖然石英次生加大是破壞孔隙度的成巖作用，但是由于它能指示酸性流體的存在，特別是對(duì)酸性流體期次的指示，是碳酸鹽巖儲(chǔ)層形成過(guò)程的有力證據(jù)之一。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，石英次生加大普遍發(fā)育在孔隙度高的殘余粒屑灰質(zhì)白云巖中，而在孔隙度低的亮晶粒屑灰?guī)r中幾乎不發(fā)育。亮晶粒屑灰?guī)r中僅存在少量的大氣淡水溶孔，未經(jīng)歷有機(jī)酸溶蝕階段。大氣淡水溶蝕階段不太可能形成石英次生加大，因?yàn)槭⒋紊哟髱缀醵及l(fā)生在埋深2000m以上的地層中，形成溫度高于60℃［10］。由此可見，石英次生加大發(fā)育程度與孔隙度之間具有相關(guān)性。再者，石英次生加大的期次可以反映酸性流體的注入期次。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)巴什托地區(qū)小海子組儲(chǔ)層是經(jīng)過(guò)2期有機(jī)酸溶蝕而形成的。因此，混積型碳酸鹽巖中石英的成巖作用研究有助于加深對(duì)次生溶蝕孔隙發(fā)育過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)粒度分布，混積型碳酸鹽巖中碎屑石英為成分成熟度較高的沙丘砂或海灘砂。石英在縱向上的分布與沉積相和事件作用的不確定性有關(guān)。

2）混積型碳酸鹽巖中次生加大石英與碎屑石英之間存在非連續(xù)的白云石邊，反映了石英次生加大形成于白云石沉淀之后，而加大石英的晶形反映了其結(jié)晶過(guò)程明顯受到生長(zhǎng)空間的限制。

3）巴什托地區(qū)小海子組碳酸鹽巖儲(chǔ)層中的石英可見2期次生加大，指示了2期有機(jī)酸的侵入，反映了對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層是經(jīng)過(guò)2期有機(jī)酸溶蝕而形成的。

［1］范明，胡凱，蔣小瓊，等.酸性流體對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的改造作用 ［J］.地球化學(xué)，2009，38（1）：20～26.

［2］蔣凌志，顧家裕.塔里木盆地麥蓋提斜坡石炭系碳酸鹽巖和碎屑巖交替沉積的沉積環(huán)境分析 ［J］.石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2002，24（1）：41～47.

［3］朱如凱，羅平，羅忠.塔里木盆地石炭系碳酸鹽巖同位素地球化學(xué)特征 ［J］.新疆石油地質(zhì)，2002，23（5）：382～384.

［4］曠理雄，郭建華，陳運(yùn)平，等.塔里木盆地巴麥地區(qū)小海子組碳酸鹽巖儲(chǔ)集層特征與油氣成藏 ［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，4（6）：2288～2295.

［5］史基安，馬寶林，師育新.新疆巴楚－柯坪地區(qū)上石炭統(tǒng)碳酸鹽巖的沉積環(huán)境與成巖作用 ［J］.沉積學(xué)報(bào)，1990，8（4）：59～67.

［6］沙慶安.混積巖一例——滇東震旦系陡山沱組砂質(zhì)砂屑白云巖的成因 ［J］.古地理學(xué)報(bào)，2001，4（3）：56～59.

［7］馬艷萍.大港灘海區(qū)第三系湖相混積巖的成因與成巖作用特征 ［J］.沉積學(xué)報(bào)，2003，21（4）：607～613.

［8］Maliva R G，Siever R.Influences of dolomite precipitation on quartz surface textures ［J］.Journal of Sedimentary Petrology，1990，60（6）：820～826.

［9］Makowitz A，Sibley D.Crystal growth mechanisms of quartz overgrowths in a Cambrian quartz arenite ［J］.Journal of Sedimentary Research，2001，71（5）：809～816.

［10］Hiatt E E，Kyser T K，F(xiàn)ayek M，et al.Early quartz cements and evolution of paleohydraulic properties of basal sandstones in three Paleoproterozoic continental basins：Evidence from in situδ18O analysis of quartz cements［J］.Chemical Geology，2007，238：19～37.

［11］聶保峰，于炳松，朱金富.巴楚地區(qū)碳酸鹽巖中深成侵入巖特征及其對(duì)儲(chǔ)層發(fā)育的影響 ［J］.地學(xué)前緣，2008，15（2）：90～99.

［12］Rossia C，Goldsteinb R H，Marfila R.Pore fluid evolution and quartz diagenesis in the Khatatba Formation，Western Desert，Egypt［J］.Journal of Geochemical Exploration，2000，69-70：91～96.

Diagenesis of Quartz in Mixed Clastic－carbonate Rock and Its Relationship with Reservoirs

FU Mei－yan，ZHANG Shao－nan（Authors'Address：State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；College of Energy Resources，Chengdu University of Technology，Chengdu610059，Sichuan，China）

The distribution，occurrence and diagenesis of quartz in mixed clastic－carbonate rocks in Xiaohaizi Formation of Carboniferous system in Bachu－Makit Area of Tarim Basin were studied by using thin section observation，SEM，EDS and cathode－luminescence.Through average diameter statistics，it was considered that the terrigenous quartz was from beach or dune.The sedimentation event during sea level rising can result in the terrigenous quartz mixing with carbonate.The content of quartz in vertical direction was irregular，which was influenced by sediment environment and the uncertainty of event.The occurrence of terrigenous quartz could be divided to 5types，which indicated different sediment and diagenetic events.The diagenesis of quartz included compaction and pressure solution，secondary quartz overgrowth and replacement.The quartz overgrowth in mixed carbonate rock was very different from clastic rock，because there existed discontinuous dolomite at the contact surface between terrigenous quartz and overgrowth quartz.The crystal of overgrowth quartz reflected that the crystallization was limited by growing space.In residual grain calcareous dolomite rocks，there are two phases of quartz overgrowth，it is indicated that there exists organic acids invasion from 2periods.As a result，it is suggested that the research of diagenesis of quartz in mixed carbonate rock is good for understanding the evolution of secondary dissolve pores.

Bachu－Makit Area；Xiaohaizi Formation；mixed rock；quartz overgrowth；acidic fluid

TE122.2

A

1000－9752（2011）12－0050－05

2011－06－28

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2008ZX05002-003-003）。

伏美燕（1982－），女，2004年大學(xué)畢業(yè)，助理實(shí)驗(yàn)師，博士生，現(xiàn)主要從事儲(chǔ)層地球化學(xué)與儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方面的研究工作。

［編輯］ 宋換新